辽西丘陵山地果园水土流失规律及防治技术研究

2022-07-16段忠奎

水利规划与设计 2022年8期

段忠奎

(辽宁省朝阳市大凌河风景区管理处，辽宁朝阳 122000)

辽西地区属低山丘陵地貌，区内5°以上的低山丘陵面积为23897.9km2，占总面积的47.69%，这部分土地生产力较低，发展果园可带动山区农村经济发展，目前辽西4市(朝阳、阜新、锦州、葫芦岛)果树种植面积达35.47万hm2，山地果业发展已成为区域农村经济发展的重要支柱[1]。然而，有些地区在开发山地资源中，往往忽视对原有生态系统的保护，未采取科学有效的水土保持措施，产生严重的水土流失，破坏了区域生态环境，进而影响了丘陵山地果园的经济效益以及社会的可持续发展[2]。辽西丘陵山地果园建设与生产中存在的主要问题为：①果园土壤管理采用传统清耕和粗放的果园土壤管理模式，使其土壤疏松、地表裸露，加剧了水土流失并破坏了天敌昆虫的栖息环境，土壤生态系统被简单化和资源配置劣化，果园病虫害由于其天敌种群和有益微生物的减少而直线上升，果树自然灾害和各种病虫害的抵御能力降低，恶化果园生态环境[3]；②无机化肥为了提高产量和经济效益被大量施用，土壤养分平衡被打破，降低了土壤生产能力，恶化土壤生态系统环境[4]；③在病虫害防治上大量施用毒性大、残效期长的化学农药，杀死了害虫天敌，破坏了果园昆虫、微生物和植物之间的生态平衡，导致药剂投入增加与病虫害发生严重的恶性循环，随着化肥、农药的大量施用，果园有毒、有害物质增多和富集，不仅造成果园的土壤、地下水体等面源污染的生态环境问题，还因果品农药残留超标，危害了果品的安全生产[5]；④由于水土防治技术的缺失，使得土层沙化现象严重，土壤肥力下降明显，出现严重的水土流失，果树生产的环境基础遭到不同程度的影响，果树种植经济收益比严重下降[3]。从果园的整个生态系统而言，科学有效的山地果园管理和生态系统建设，对于辽西果园生态系统的改善和区域水土流失防治具有重要的生态意义；吸收传统农业善于利用生物多样性的优点与现代农业技术结合，并实施可持续集约经营，这是今后果树种植发展的重要方向。对辽西丘陵山地果园水土流失防治工作，不仅仅是果园生态环境问题，同时也是振兴当地经济、实现共同富裕的有效途径，符合产业兴旺、生活富裕、生态宜居的乡村振兴战略总要求。为此本文运用野外试验调查、室内分析的方法，对辽西丘陵不同山地果园水土流失特点及其规律进行分析，创新性地针对丘陵山地果园土壤侵蚀提出径流调控工程措施，并对不同山地果园水土流失治理效益进行综合比对分析，提出效果最优的水土流失防治技术。研究成果可为辽西丘陵地区水土流失防治技术提供重要的参考价值。

1 研究方法

通过调查分析与定点实验相结合的方式，研究辽西山地果园水土流失主要诱因、水土流失特点以及山地果园水土流失所表征出来的规律，为其水土流失防治打下坚实的理论基础。具体研究方法为：

(1)水土流失规律：通过调查分析与定点实验相结合的方式，在辽宁西部地区朝阳县、兴城市、凌源市选取典型坡面果园进行调研与观测。采用Excel、Spss等软件对获取的数据进行综合性分析，以此研究辽西山地果园水土流失主要诱因、水土流失特点以及山地果园水土流失特征规律。

(2)土壤含水量测定：铝盒取样烘干法测定，取样深度分别为0～20cm、20～40cm、40～60cm，土样用土钻获取，去除杂质放入铝盒，在生长季(4—10月)每月的上、中、下旬连续取样观测。

(3)土壤抗蚀性指标的测定：分别按照0～20cm、20～40cm、40～60cm深度采用环刀法进行取样，样品采用5点混合法在试验区按照按“S”形进行选取，在室内采用Rise-2006激光粒径分析仪和ZIK-2001土壤团粒分析仪测定土壤粒径组成和水稳性团聚体含量，现场采用TJSD-750土壤紧实度仪进行土壤紧实度的测定。

(4)土壤养分测定：在测试区按“S”形选取5点组成混合样品进行分析，取样深度分别为0～20cm、20～40cm、40～60cm。采用外加热法选用重铬酸钾(K2Cr2O7)进行土壤有机质含量的测定，采用开氏法选用半微量进行全N含量的测定，采用碳酸钠熔融法进行全K、全P的测定。采用Olsen法进行速效P的测定。对速效K、有效钙、有效镁、有效锌、有效铁含量采用原子吸收光谱仪使用火焰石墨炉进行测定。有效硼采用甲亚铵比色法测定，土壤碳酸钙含量采用气量法测定。

(5)水土保持效果研究：采用径流小区法研究不同措施控制径流、氮、磷等流失效果及土壤理化性质变化情况。

2 试验区概况

在兴城市头道沟布设试8个试验小区，各小区面积为100m2，试验小区的长度和宽度分别为20m和5m，土壤类型主要为棕壤，试验区坡度为15°。在径流场下方挡水墙处设置集水槽和集水池用于径流的收集。分别在3个小区分别按照果树梯田、果树台田以及无工程果园进行密度为2.5m×3.0m梨树的栽植，第4个试验小区为水平槽栽植密度为2.5m×3.0m杏树的栽植，各小区内均栽植14株。

3 辽西山地果园水土流失主要特点及规律

3.1 水土流失的主要诱因

(1)坡地高强度开发与低效利用引发水土流失加剧。从整个辽西范围看，山地果园规模较大，管理粗放，而产品单一、产果量少、效益相对较低，又引发坡面开发强度增大，进而加剧坡面水土流失。目前，辽西地区果品主要以苹果、梨、桃、杏、李、枣为主(设施果园除外)，各类果树种植面积达35.47万hm2。多数果品未形成规模化产业，品牌影响力较弱，以数量创效益的思维依然根深蒂固。

(2)园地水土保持方面科技支撑较弱，果农生态环境意识不强。水土保持行为、水土保持措施实施并未成为果园建设和日常管理的重要组成部分，从而部分导致或加剧了水土流失。为追求产量，片面地增加水肥投入、忽视对原有生态环境保护的现象依旧存在。坡地果园减蚀、减污方面科普较少。

(3)部分果园反复除草，导致地表裸露，管理过程中反复扰动地表，形成松散易蚀土层。受传统管理思维影响，多数山地果园林下草本植物大面积被清除，降低了其和果树争水争肥，土壤中更多的养分可以利用果树进行汲取。但长期的清耕由于降水和地形影响会使得土壤肥力下降，出现板结现象。园地水土流失问题凸显，进而破坏果园生态环境。反复的清耕扰动，使表层土壤毛管孔隙、非毛管孔隙遭到不同程度的破坏。山地果园能拦蓄雨水并能长时间的调节，主要是依靠毛管孔隙；非毛管水孔隙(饱和水孔隙)对拦蓄大雨至暴雨的径流能起一定的暂时性作用。对比实验显示清耕处理的果园其土壤毛管水孔隙度和饱和水孔隙度分别比植草处理的山地果园土壤减少2.4%～4.9%和5.1%～10.2%。树盘、田埂的填筑引发园地微地形变化，在坡地果园形成人为的易蚀堆积体坡面。果园建设过程中，针对单棵树体需要堆筑树盘，行间需要堆筑田埂，这种在原生坡面形成的人为堆筑体，没有植被的保护很容易造成水土流失。

3.2 山地果园水土流失特点

(1)水土流失形式以水蚀为主，同时伴随着过量化学肥料、药剂散失。因地表植被盖度低，肥料、药剂施用数量掌控不精确，过量的化肥、药剂等不能被进一步利用，遭遇降雨、径流冲刷，会随地表径流扩散至周边土地、水体。引发农业污染。通过清耕条件下径流、泥沙样中全磷、有效磷、全氮、铵态氮、硝态氮等指标均高于生草果园。

(2)地形、扰动强度、降雨强度与历时对辽西山地果园水土流失存在较大影响。降雨强度、降雨历时同样是山地果园水土流失的主要影响因素，它们与地形因素、地表扰动强度共同作用于辽西山地果园，左右着水土流失的发生、发展。

(3)流失形式以浅沟侵蚀结合面蚀，流失土壤沿坡顶向坡脚方向运动，并在下坡段树盘、地埂处有淤积停留。受限于辽西地区光、水、热条件，果树品种以苹果、桃、李、杏等耐寒、抗旱型果树为主，从建园至产果需要近5年时间，而且因为对树型等的要求，需要进行冬、夏二季修剪，这就导致树体冠层减少，对林下土体覆盖率降低。降雨多数从冠层空隙直接落地，溅蚀、汇流向远端流失；其余经冠层拦截并汇流落地，引发细沟侵蚀。

3.3 山地果园水土流失特点

(1)雨季是园地水土流失多发期，强度随管理活动的增加而增强。进入雨季，中耕除草、松土、浅施化肥；雨季末期(9月末，10月初)深施有机肥。以上管理措施均在雨季进行，这就导致整个雨季对园地表层土壤扰动频繁、对地表植被破坏严重，由此导致水土流失加剧，而且每年管理措施相近、实施时间相同，因此，雨季是辽西山地果园水土流失集中高发期。

(2)强水蚀多发生在灌溉后降雨或连续降雨。在辽西地区由于降雨分布及其不均，根据果园土壤墒情变化，需要不定期的灌溉，灌溉后土壤持水量接近饱和，此时降雨极易产生地表径流，引发侵蚀。连续多日的降雨同样诱发土壤持水情况发生改变，土壤持水性能下降，产流量增加，引发水土流失。

(3)坡面果园水土流失从坡顶到坡脚呈“流失→流失、停淤→向远端流失”的动态变化规律。一次侵蚀性降雨，坡面土壤均不同程度的遭受溅蚀、径流侵蚀的影响，园地上部以流失为主，遭受的侵蚀比较严重；中部发生土壤侵蚀的同时，上部损失的泥沙流在此有一个部分停淤的过程，另一部分继续向下运动；流失的土壤随降雨径流经果园下部进入沟道，进而向果园以外的其他区域流失。从流失土壤的运移轨迹来看，一次侵蚀性降雨，并不是所有产生位移的泥沙全部流失到果园以外的区域，而是经过多次侵蚀性降雨之后，新产生的泥沙与前次停淤的部分泥沙共同向果园以外的区域损失。尤其在“清耕制”的果园，与有草本植物生长的果园相比其径流量增加约58%，径流泥沙量增加约85%，总氮流失量增加约50%，总磷流失量增加61%。

4 山地果园水土流失防治径流调控影响

4.1 典型工程措施

水土流失是山地果园的主要生态问题。果园按照水土保持技术标准并结合坡地的坡度、地形、果树种类等特点，进行果树梯田、果树台田、水平槽等径流调控工程措施，最大程度地蓄积利用天然降雨，提高果园的抗旱能力，防止土壤冲刷，避免土壤流失、增强地力。

(1)果树梯田整地

在修筑梯田面时，田面向内倾斜，即树的下坡比树的上坡高10～12cm，造成外高里低的表面，在梯田埂下方挖底宽20cm、深30cm、上口宽40cm的排(蓄)水沟，使梯田面能保蓄一定的水量，水量过多时又能从梯田内侧的排(蓄)水沟排出。栽植坑为穴状，规格为长×宽×高为100cm×100cm×60cm。

(2)果树台田整地

果树台田主要是根据地势条件，以单株或多株果树为单元修成带有边埂反坡的池田，不同单元的池台田田面高程不同。与果树梯田相比其可充分利用地势条件，动用土方少。池田一般在3m2，田面粗平，修成里低外高，尽量用生土筑埂；用熟土回填树坑、修整边埂，边埂顶宽0.25～0.3m，边坡坡比为1∶1。

(3)水平槽整地

水平槽工程采取等高布设与二次回填土的方法，也就是水平沟与台田、梯田相结合的水土保持坡面工程，由截水埂、蓄水槽和换土槽3部分组成。断面尺寸根据土质及地形确定，蓄水槽取宽深均为0.6m，换土槽宽0.4m，单个水平槽长1.6m，2个水平槽间埂宽按设计行距设置。

4.2 对水土流失影响分析

分别在3种径流调控工程措施——果树梯田、果树台田、水平槽和无工程果园(对照)径流小区观测径流泥沙情况，2016—2021年连续观测6年。2016年观测到产流降雨6次，产流雨量355.20mm；2017年观测到产流降雨4次，产流雨量280.20mm；2018年观测到产流降雨5次，产流雨量193.60mm；2019年观测到产流降雨9次，产流雨量408.00mm；2020年观测到产流降雨7次，产流雨量249.80mm；2021年观测到产流降雨6次，产流雨量351.50mm；以2021年试验数据为例，对2021年2021年径流调控工程措施水土流失情况进行分析，见表1，此外对比了2016—2021年与无工程果园相比径流调控工程措施水土流失变化情况，见表2。

从表1中可看出，相比于无工程措施的果园，其他工程措施下的径流量和泥沙量均得到明显减少，其中果树梯田的下降比例最高，其次为果树台田，水平槽工程措施下的径流量和泥沙量下降程度相对较低。从表2看出，相比于无工程果园，相同产流雨量下其他调控措施下的水土流失变化率均高于50%，果树梯田的各年份的径流量和含沙量下降率均值分别为-73.85%和-83.17%，果树台田方式下的径流量和含沙量下降率均值分别为-72.65%和-81.03%，水平槽方式下的径流量和含沙量下降率均值分别为-69.90%和-75.63%，果树梯田下的水土流失递减率最高，其次为果树台田和水平槽方式。

表1 2021年径流调控工程措施水土流失情况

表2 2016—2021年与无工程果园相比径流调控工程措施水土流失变化情况

4.3 对土壤养分的影响

结合试验区各山地果园调控措施下的氮和磷养分测定值，与无工程果园方式下进行对比，以2021年为例，对其径流调控措施下的氮和磷流失情况进行分析，结果见表3，并统计分析2016—2021年与无工程果园方式下的氮磷流失率，结果见表4。

表3 2021年径流调控工程措施氮磷流失情况

表4 2016—2021年与无工程果园相比径流调控工程措施氮磷流失率变化情况

从表3可看出，相比无工程果园，相同产流雨量下果树梯田的氮和磷流失量减少程度最高，其次为果树台田，水平槽下的氮和磷流失量减少程度相对最低。这主要是因为采用山地果园调控措施后其水土流失量明显减少，而土壤中的氮和磷主要以径流和含沙量为运移的载体，因此其氮和磷的流失量也下降较为明显，从而增加了土壤养分。从2016—2021年的无果园对照方式下各年份的氮磷流失率可看出，果树梯田方式下的各年份氮和磷流失率均值分别为-83.19%和-82.20%，果树台田方式下的各年份氮和磷流失率均值分别为-81.07%和-82.20%和-81.0%，而水平槽方式下的各年份氮和磷流失率均值分别-75.68%和-75.83%。

4.4 土壤抗蚀性影响

土壤保水、保土、抗蚀性能的重要指标通过大于等于0.25mm水稳性团聚体、土壤容重、紧实度及孔隙度进行反映，孔隙度越大、密实度越低其土壤容重越小，透水性能更佳，越高的土壤保水抗蚀性能。表5为试验区2018年水土保持径流调控工程措施土壤容重、孔隙度、紧实度及大于等于0.25mm水稳性团聚体含量。

表5 土壤抗蚀性指标

与对照无工程果园相比径流调控工程措施0～20cm土层土壤容重降低了5.26～8.27%、土壤总孔隙度增加9.38～13.83%、土壤紧实度降低了14.01～14.95%、大于等于0.25mm水稳性团聚体含量增加了7.65～9.35%；20～40cm土层土壤容重降低了4.49～5.13%、土壤总孔隙度增加7.94～11.76%、土壤紧实度降低了13.69%～14.83%、大于等于0.25mm水稳性团聚体含量增加了3.39%～4.82%；40～60cm土层土壤容重降低了1.31～2.61%、土壤总孔隙度增加6.26%～11.55%、土壤紧实度降低了13.69%～14.95%、大于等于0.25mm水稳性团聚体含量增加了3.18%～4.82%。经显著性分析(p在0.05水平)，工程整地与无工程果园相比土壤总孔隙度、紧实度、容重及大于等于0.25mm水稳性团聚体含量差异显著；不同土层深度间除土壤紧实度表现差异不显著外，土壤总孔隙度、容重及大于等于0.25mm水稳性团聚体含量表现为差异显著；3种整地处理间差异不显著。